07_1_Oikosulkusuojaus ja sulakkeet

Luku 7: Oikosulkusuojaus
7. OIKOSULKUSUOJAUS
7.1. Yleistä
Verkon laitteiden mitoittamisessa, oikosulkusuojauksen suunnittelussa ja turvallisen
käytön suunnittelussa on tunnettava oikosulkuvirrat eri tilanteissa ja eri osissa verkkoa.
Verkon komponenttien on kestettävä oikosulun aikaiset dynaamiset ja termiset rasitukset.
Vakaa jännite ja siten hyvä sähkön laatu edellyttää riittävän suurta
Oikosulkuvirrassa ( kuva 7.2a ) on vaimeneva tasavirtakomponentti ( A ), jonka suuruus
riippuu oikosulun syntyhetkestä ja vaimenemisnopeus piirin R / X-suhteesta, ja vaihtovirtakomponentti, jossa voi myös olla vaimeneva osa. Alkuoikosulkuvirta I k” on symmetrisen
oikosulkuvirran tehollisarvo vian alkuhetkellä. Se vastaa generaattoreiden reaktansseja
vian syntyhetkellä. Vian aikana reaktanssit kasvavat ja virta vaimenee jatkuvuustilan arvoon I k. Oikosulkuvirran ensimmäisen huipun hetkellisarvo, kun otetaan huomioon myös
tasavirtakomponentti, on ns. sysäysoikosulkuvirta i p. Ekvivalenttisella termisellä oikosulkuvirralla I th on sama virtateitä lämmittävä vaikutus, kuin oikosulkuvirralla. Useissa
yhteyksissä käytettyä muutostilan oikosulkuvirtaa I k' IEC-standardit eivät käytä. Katkaisuvirta I b on symmetrisen oikosulkuvirran tehollisarvo katkaisijan aloittaessa katkaisun.
7.2. Oikosulkuvirran laskeminen
Kolmivaihejärjestelmän oikosulkuvirran laskemista ja vaikutuksia käsitellään standardeissa IEC-60909, 60909-1, 60909-2, 60781, 60865-1 ja 60865-2.
2√2Ik”
Îp
√2Ik”=A
t
√2Ik”
KUVA 7.2a. Oikosulkuvirran käyrämuoto.
7.2.1. Oikosulkuvirran laskeminen Theveninin menetelmällä
Theveninin menetelmän yksivaiheisessa sijaiskytkennässä komponentit ja lähteet korvataan oikosulkuimpedansseilla ja vikapaikkaan sijoitettavalla ns. ekvivalenttisella jännitelähteellä c U n, jossa U n on vikapaikan käyttöjännite vikahetkellä ja c taulukon 7.2a
mukainen kerroin.
Oikosulkuvirta saadaan yhtälöstä:
I k" =
jossa
c ⋅ Un
3 Rk2 + X k2
c
Un
Zk
=
c ⋅ Un
3 Zk
,
(1)
= taulukon 7.2a mukainen kerroin,
= syöttävän verkon jännite,
= impedanssi vikapaikasta katsottuna.
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
1
Luku 7: Oikosulkusuojaus
Taulukko 7.2a. IEC 60909- mukainen jännitekerroin c.
MaksimioikoMinimioikoNimellisjännite
sulkuvirta
sulkuvirta
Un
cmax
cmin
pienjännite
100 V – 1000 V
a) 230 V / 400 V
1.00
0.95
b) muut jännitteet 1.05
1.00
keskijännite
1 kV - 35 kV
1.10
1.00
suurjännite
35 kV - 230 kV
1.10
1.00
Vikatyypit
Yksi- ja kaksivaiheisissa vioissa sijaiskytkentä muodostetaan myötä-, vasta- ja nollakomponenttiverkkojen avulla. Vikatyyppi määrää komponenttiverkkojen keskinäisen kytkeytymisen.
Komponenttien impedanssit kytkeytyvät myötä- ja vastaverkkoihin samalla tavalla. Nollaverkon kytkeytyminen riippuu muuntajan kytkentäryhmästä. Tähtipisteiden ja maan
väliset impedanssit ja vikaimpedanssi kytkeytyvät nollaverkkoon kolminkertaisina.
Ekvivalenttinen jännitelähde sijoitetaan ainoastaan myötäverkkoon.
Johdoilla, muuntajilla ja kuristimilla, vasta- ja myötäimpedanssit ovat yhtä suuria. Pyörivillä
koneilla myötä- ja vastareaktanssit voivat erota toisistaan. Nollaimpedanssit eroavat
myötäimpedansseista kaikilla verkon komponenteilla.
Kolmevaiheisessa oikosulussa oikosulkuimpedanssi muodostuu myötäimpedansseista ja
kolmevaiheinen oikosulkuvirta saadaan yhtälöstä
I'k' 3 =
jossa
c ⋅U n
3Z 1
,
c
Un
Z1
(2)
= taulukon 7.2a mukainen kerroin,
= syöttävän verkon jännite ja
= myötäkomponenttiverkon impedanssi.
Kaksivaiheinen oikosulkuvirta ilman maakosketusta saadaan yhtälöstä
I'k' 2 =
jossa
c Un
Z1 + Z
c
Un
Z1
Z2
,
(3)
2
=
=
=
=
taulukon 7.2a mukainen kerroin,
syöttävän verkon jännite,
myötäkomponenttiverkon impedanssi ja
vastakomponenttiverkon impedanssi.
Kaukana generaattoreista Z 1~ Z 2 ja yhtälö (3) saa muodon
''
Ik2=
c ⋅U n
2 Z1
=
3
2
I k 3 ~ 0,87 ⋅Ik 3 .
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
(4)
2
Luku 7: Oikosulkusuojaus
Vaiheiden L2 ja L3 oikosulkuvirta kaksivaiheisessa oikosulussa maakosketuksella lasketaan yhtälöillä
Z0
2
1+ a +
I "k 2 E L 2 = c U n
Z1 +2 Z
1+ a +
I "k 2 E L 3 = c U n
joissa
a
a2
Z1
ja
(4)
2
Z0
Z1
Z 1+ 2 Z
,
(5)
2
= 1∠
∠120 o,
= 1∠240 o ,
2
a ja a ovat yksikkövektoreita, joilla käännetään vaihekulmaa,
Z 1 = myötäkomponenttiverkon impedanssi,
Z 2 = vastakomponenttiverkon impedanssi ja
Z 0 = nollakomponenttiverkon impedanssi.
Vikapaikan virta lasketaan yhtälöstä:
I "k E 2 E =
jossa
3 cU n
,
Z1 + 2 Z 2
(6)
Z 1 = myötäkomponenttiverkon impedanssi ja
Z 0 = nollakomponenttiverkon impedanssi.
Yksivaiheinen oikosulkuvirta saadaan yhtälöstä:
I "k 1 =
jossa
3 c Un
Z 1+ Z 2+ Z
Z1
,
(7)
0
= myötäkomponenttiverkon impedanssi,
Z 2 = vastakomponenttiverkon impedanssi ja
Z 0 = nollakomponenttiverkon impedanssi.
Kaukana generaattoreista tapahtuvissa oikosuluissa ( Z 1~ Z 2 ) oikosulkuvirta saadaan
yhtälöstä:
I"k 1 =
jossa
3 cU n
2 Z1 + Z
,
(7a)
0
Z 1 = myötäkomponenttiverkon impedanssi ja
Z 0 = nollakomponenttiverkon impedanssi.
Suurin oikosulkuvirta riippuu Z 1 / Z 0 ja Z 2 / Z 1 suhteista. Yleensä kolmevaiheinen oikosulkuvirta on suurin. Lähellä maadoitettua muuntajan tähtipistettä voi yksivaiheinen oikosulkuvirta olla suurin.
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
3
Luku 7: Oikosulkusuojaus
7.2.2. Oikosulkupiirin komponentit.
Verkkosyöttö
Verkkosyötölle oikosulkuimpedanssi saadaan oikosulkutehosta tai -virrasta yhtälöstä:
c ⋅ U 2n
c⋅U n
=
'
'
SkQ
3 ⋅ I 'k' Q
Z 'Q' =
jossa
,
(8)
c
= taulukon 7.2a mukainen kerroin,
U n = syöttävän verkon jännite,
S ”kQ = alkuoikosulkuteho ja
I ”kQ = alkuoikosulkuvirta.
Yleensä pätee Z1=Z2
R Q ≈ 0,1·X Q.
ja I ”k = I b =I k
ja yli 35 kV:n jännitteellä Z Q ≈ X Q. Muulloin
Muuntaja
Kaksikäämimuuntajan oikosulkuimpedanssi, -resistanssi ja -reaktanssi saadaan kilpiarvoista yhtälöillä:
Z T=
uk r
U 2r T
,
100 % Sr T
R T=
u R r U 2r T
100 % S r T
2
=
P k rT
3 I 2r T
(9)
,
2
X T = Z T - RT ,
joissa
u kr
U rT
S rT
RT
P krT
I rT
u Rr
=
=
=
=
=
=
=
(10)
(11)
oikosulkujännite,
nimellisjännite,
nimellisteho,
nimellinen resistanssi,
kuormitushäviöt,
nimellisvirta ja
resistiivinen oikosulkujännite.
Muuntajalla on Z 1= Z 2.
Muuntajan nollaimpedanssi riippuu käämien kytkennästä ( kolmio, tähti, hakatähti ), tähtipisteiden käsittelystä ( maadoitettu, maadoittamaton ) ja magneettipiirin rakenteesta ( 1vaihemuuntaja, 3-pylväs-, 5- pylväsmuuntaja ). Viisipylväsmuuntajalla, jonka toinen käämi
on kolmiossa, maadoitetun tähtipisteen puolen nollaimpedanssi on noin 1·Z k. Kolmepylväsmuuntajalla vastaava on (0,7...) 0,9 (...1) · Z k. Kolmepylväsmuuntajilla, joiden toinen
käämi on maadoittamaton tähti tai hakatähti, maadoitetun tähtipisteen puolella nollaimpedanssi on (3... ) 4...5 ( ...10 ) · Z k . Viisipylväsmuuntajalla se on 10...100 · Z k. Maadoitetun
hakatähden puolella nollaimpedanssi on 0,1... 0,15 · Z k. Kolmiokäämin puolella nollaverkko on avoin.
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
4
Luku 7: Oikosulkusuojaus
Kuristin
Sarjakuristimen oikosulkuimpedanssi saadaan yhtälöstä
Z R=
∆ uN Ur R
∆ uN Ur2 R
=
100 % 3 Ir R 100 % Sr R
joissa
∆uN =
U rR =
S rR =
I rR =
,
(12)
on nimellinen jännitteenalenema,
nimellisjännite,
nimellisteho ja
nimellisvirta.
Kuristimella Z 1=Z 2.
Johdot ja kiskot
Kaapeleiden resistanssit ja reaktanssit saadaan valmistajalta. Avojohtojen ja kaapeleiden
resistanssit voidaan laskea myös yhtälöstä (13).
ρ
R L=
⋅ L [Ω] ,
qn
jossa
RL
ρ
= johtimen resistanssi,
= johtimen ominaisresistanssi,
= 1 / 54 Ω mm 2 / m
kuparijohtimille,
2
= 1 / 34 Ω mm / m
alumiinijohtimille,
= 1 / 31 Ω mm 2 / m
alumiiniseoksille,
= johtimen pinta-ala [ mm 2 ] ja
= johtimen pituus [ m ].
qn
L
(13)
Avojohtojen reaktanssi saadaan yhtälöstä
X L = 0,0628 (
jossa
0,25
+ ln d ) ⋅ L
n
r
[Ω] ,
d
= johtimien välinen geometrinen keskietäisyys
d = 3 d L1 L2 d L2 L3d L3 L1 [ m m ] ,
r
= yksittäisen johtimen säde tai johdinnipulle r =
R
n
L
= johdinnipun säde.
= nippujohdon osajohtimien lukumäärä ja
= johtimen pituus [ k m ].
(14)
n
nr R
n -1
[mm] ,
jossa
Kiskostoille voidaan yleensä käyttää reaktanssina 0,15 mΩ / m. Johdoilla Z 1 = Z 2. Nollaimpedanssit joudutaan yleensä mittaamaan.
Tahti- ja epätahtikoneet
Tahtikoneen alkureaktanssi saadaan yhtälöstä:
X "G =
x"d
U r2G
100 % Sr
,
(15)
G
x d” = alkureaktanssi,
U r G = nimellisjännite ja
S r G = nimellisteho.
Generaattorin impedanssi lasketaan yhtälöstä
jossa
Z G , K = KG ZG
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
(16)
5
Luku 7: Oikosulkusuojaus
IEC 60909 mukainen korjauskerroin K G
KG =
c max
Un
U r G 1 + x "d sin ϕ r
jossa
cmax
Un =
UrG =
x d” =
φrG =
,
(17)
G
= taulukon 7.2a mukainen kerroin,
käyttöjännite,
generaattorin nimellisjännite,
generaattorin suhteellinen alkureaktanssi,
I r G ja U r G välinen vaihe-ero.
Generaattorin ja muuntajan muodostaman yksikön impedanssi lasketaan yhtälöstä
(18)
Z G , PSU = KG , PSU ZG
IEC 60909 mukainen korjauskerroin K PSU
K PSU =
jossa
U 2n Q U 2r T L V
U
2
r G
U r2T L H
UnQ
UrG
UrTLV
UrTLH
cmax
x d” =
xT =
φrG =
c max
1 + ( x "d - x T ) sin ϕ r G
,
(19)
=
=
=
=
liityntäpisteen käyttöjännite,
generaattorin nimellisjännite,
muuntajan alajännitepuolen nimellisjännite,
muuntajan yläjännitepuolen nimellisjännite,
= taulukon 7.1 mukainen kerroin,
generaattorin suhteellinen alkureaktanssi,
muuntajan suhteellinen reaktanssi ja
I r G ja U r G välinen vaihe-ero.
Umpinapakoneilla x 2 = x ”d ja avonapakoneilla x 2 = 0,5 · ( x d” +x q” ).
Tahtimoottorit otetaan huomioon laskettaessa kolmevaiheista alku-, sysäys- ja katkaisuvirtaa ja kaksivaiheisia oikosulkuvirtoja.
Epätahtimoottorit otetaan huomioon laskettaessa kolmevaiheista alku-, sysäys- ja katkaisuvirtaa ja kaksivaiheisia oikosulkuvirtoja. Epätahtimoottorin oikosulkuimpedanssi saadaan yhtälöstä:
U 2r M
U rM
ZM = 1
= 1
,
(20)
I LR 3 I
I LR S r M
rM
IrM
IrM
jossa
ILR
IrM
UrM
SrM
=
=
=
=
lukitun roottorin virta ( = käynnistysvirta),
moottorin nimellisvirta,
moottorin nimellisjännite ja
moottorin nimellisnäennäisteho.
R M / X M =0,1ja X M =0,995 ZM suurjännitemoottoreille, teho napaparilukua kohden on
≥ 1 MW.
R M /X M =0,15 ja X M =0,989 Z M suurjännitemoottoreille, teho napaparilukua kohden on
> 1 MW.
R M / X M =0,42 ja X M =0,922 Z M pienjännitemoottoriryhmille kytkentäkaapeleineen.
Pienjännitemoottoreilla on merkitystä erityisesti teollisuusverkoissa. Tällöin suurempia
ryhmiä voidaan kuvata ekvivalenttisella moottorilla, jonka teho on koko moottoriryhmän
summanimellisteho ja I LR = 5 .
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
6
Luku 7: Oikosulkusuojaus
Epätahtimoottorille Z 1 = Z 2.
Katkaisuvirta
Tahtikoneen katkaisuvirta saadaan yhtälöllä
I b= µ I 'k'
,
jossa
µ
= kerroin kuvasta (7.2b).
(21)
1,0
µ
0,9
0,02s
0,8
0,05s
0,7
0,1s
0,25s
0,6
0,5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
” /Irm
” /Irg tai I KM
IKG
Kerroin µ katkaisuvirran laskemiseksi.
KUVA 7.2b.
Epätahtimoottorin katkaisuvirta lasketaan yhtälöstä
I b= µ q I 'k'
jossa
,
µ
q
(22)
= kerroin kuvasta (7.2b) ja
= kerroin kuvasta (7.2c).
1
0,02s
0,05s
q 0,5
0,1s
≥=0,25s
0
0,01
0,1
1
Teho napaparia kohden
10 MW
KUVA 7.2c. Kerroin q epätahtimoottorin katkaisuvirran laskemiseksi.
Jatkuvuustilan oikosulkuvirta
Tahtigeneraattori voi syöttää oikosulkuvirtaa myös jatkuvuustilassa. Sen tarkka laskenta
on kuitenkin vaikeaa. Magnetoinnin säätäjä yrittää ylläpitää napajännitettä lisäämällä
magnetointijännitettä ja samalla kasvattaa oikosulkuvirtaa. Toisaalta oikosulussa magnetointilaite voi menettää syöttöjännitteensä, jolloin I k=0.
IEC 60909 mukaan, jos generaattorin rinnalla on muita oikosulkuvirtaa syöttäviä lähteitä,
generaattori putoaa tahdista ja sen syöttämä oikosulkuvirta on I k =I b. IEC 60909:ssä on
esitetty yksinään verkkoa syöttävän generaattorin jatkuvuustilan oikosulkuvirran laskeminen. Jos magnetoinnin tehonsaanti on varmistettu compound-virtamuuntajilla, saadaan
oikosulkuvirran suuruus generaattorin valmistajalta.
Sysäysoikosulkuvirta
Säteettäisissä verkoissa sysäysoikosulkuvirta ip lasketaan yhtälöstä
i p = κ 2 I "k
,
(23)
jossa κ====sysäyskerroin, joka saadaan kuvasta 7.2d piirin R / X suhteen funktiona.
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
7
Luku 7: Oikosulkusuojaus
Suurjänniteverkossa κ on yleensä alle 1,8 (R / X < 0.1) ja pienjänniteverkoissa yleensä
alle 1,44.
Koska silmukoidussa verkossa on useita aikavakioita, lasketaan κ,=jollain seuraavista menetelmistä:
1. Valitaan κ eri haarojen pienimmän R/X suhteen mukaan. Vain sellaiset haarat, jotka
yhdessä johtavat 80 % oikosulkuvirrasta huomioidaan. Pienjänniteverkossa käytetään
kuitenkin maks. κ===1,8.
2. κ=1,15 κ b , jossa κ b on silmukoidusta verkosta laskemalla saatua R / X - suhdetta
vastaava kerroin. Pienjänniteverkossa 1,15 κ b on maks. 1,8 ja keskijänniteverkossa
maks. 2,0.
3. Ekvivalenttisen 20 Hz:n menetelmää on kuvattu IEC 60909 9.1.3.2 ( Method C ).
2
1.9
1.8
1.7
1.6
κ 1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
1.1 1.2
R/X
KUVA 7.2d. Sysäyskertoimen riippuvuus oikosulkuvirtapiirin R / X - suhteesta.
Terminen oikosulkuvirta.
Ekvivalenttinen terminen oikosulkuvirta I t h lasketaan kaavalla ( 24 ), jossa kerroin m kuvaa vaimenevan vaihtovirtakomponentin ja saadaan kuvasta ( 7.2e ) ja kerroin n vaimenevan tasavirtakomponentin vaikutusta ja saadaan kuvasta ( 7.2f ).
''
(24)
I th = I k m+ n
2
1.8
1.6
1.4
m
1.2
κ=1,95
1,9
1,8
1,7
1
0.8
1,5
0.6
0.4
0.2
1,3
1,1
0
0.01
tk
1
KUVA 7.2e. Tasavirtatekijän m riippuvuus oikosulkuvirran sysäyskertoimesta ja oikosulun kestoajasta.
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
8
Luku 7: Oikosulkusuojaus
Lk”/lk=1
1
0.9
1,2
0.8
0.7
n
1,5
0.6
2
0.5
0.4
2,5
0.3
3,3
0.2
6
0.1
0
0,1
1
10
T
KUVA 7.2f. Vaihtovirtatekijän n riippuvuus oikosulkuvirran alkuarvon ja pysyvän arvon
suhteesta I k” / I k.
Virtapiirin laitteet kestävät oikosulun termisesti, mikäli on voimassa epäyhtälö
I th ≤ I thn , kun t ≥ tN tai
I th ≤ I thn
joissa
tN
t
, kun t ≤ t N ,
(25)
(26)
I thn = laitteen nimellinen terminen oikosulkukestoisuus ja
t N = laitteen nimellistä termistä oikosulkukestoisuutta vastaava aika.
Yleensä laitteiden terminen kestoisuus ilmoitetaan 1s arvona, mutta myös muita arvoja
käytetään.
Maksimioikosulkuvirta
Maksimioikosulkuvirtaa laskettaessa valitaan verkon kytkentätilanne vastaamaan maksimioikosulkuvirtaa. Jännitekerroin c valitaan kyseisen jänniteportaan maksimia vastaavaksi.
Minimioikosulkuvirta
Minimioikosulkuvirtaa laskettaessa valitaan verkon kytkentätilanne vastaamaan minimiä.
Jännitekerroin c valitaan kyseisen jänniteportaan maksimia vastaavaksi. Minimioikosulkuvirtaa laskettaessa lisäksi oletetaan moottorit seisoviksi ja johtimille käytetään suurinta
käyttölämpötilaa vastaava resistanssia.
7.2.3. Oikosulkuvirran laskeminen ominaisoikosulkutehoilla
Ns. ominaisoikosulkutehojen avulla voidaan nopeasti ja helposti määritellä likimääräisesti
oikosulkuvirtoja. Oikosulkuteho on laskennallinen käsite, jossa täysi oikosulkuvirta ja nimellisjännite vaikuttavat samanaikaisesti. Ominaisoikosulkuteho on se oikosulkuteho, joka
esiintyisi ko. komponentin jälkeen, elleivät muut virtapiirin osat rajoittaisi sitä. Yleensä lasketaan alkuoikosulkuvirta I k” ja laskennassa huomioidaan vain reaktanssit. Tästä
seuraava epätarkkuus tuo varmuutta. Resistanssien huomioimatta jättämisestä seuraa se,
että sysäyskerrointa ei saada tarkasti. Sen suuruus voidaan arvioida tärkeimpien komponenttien R / X - suhteista.
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
9
Luku 7: Oikosulkusuojaus
Muuntajan ja generaattorin oikosulkuteho saadaan yhtälöistä
2
Skp=
Skp=
jossa
maa
Un
,
Zk
Sn
zk
~
Sn
zd
(27)
,
(28)
S k p = ominaisoikosulkuteho,
U n = laskettavan komponentin nimellispääjännite (johdolla pääjännite norlikäytössä),
Z k = laskettavan komponentin oikosulkuimpedanssi ohmeina vaihetta kohti,
S n = laskettavan komponentin nimellisteho ja
z k = oikosulkuimpedanssin suhteellinen arvo,
(generaattorilla tahtireaktanssin Z d suhteellinen lukuarvo).
Rinnan kytkettyjen ominaisoikosulkutehojen kokonaisoikosulkuteho saadaan komponenttien ominaisoikosulkutehosta yhtälöstä
S k = S k 1+ S k 2 + S k 2 + ... + S k n
(29)
Sarjaan kytkettyjen ominaisoikosulkutehojen kokonaisoikosulkuteho saadaan komponenttien ominaisoikosulkutehosta yhtälöstä
1 = 1 + 1 + 1 + .... + 1
S k S k 1 S k2 S k3
Sk n
(30)
Oikosulkuvirta saadaan ominaisoikosulkutehosta yhtälöstä
Ik =
1,1 ⋅ S k
3Un
(31)
7.3. Oikosulkuvirran rajoittaminen
Nollapistekatkaisuun perustuvat katkaisijat eivät pysty pienentämään oikosulkuvirran dynaamista huippua. Nopealla relesuojauksella oikosulun kestoa voidaan lyhentää ja siten
pienentää termistä rasitusta ja valokaaren vaikutusaikaa. Sulakkeilla ja pienjännitteillä
( <1000 V ) oikosulkuvirtaa rajoittavilla katkaisijoilla voidaan rajoittaa myös oikosulkuvirran
huippuarvoa.
Oikosulkukestoisuuden kasvattaminen nostaa käytettävien komponenttien hintoja. Eri
jännitetasoilla on omat oikosulkuvirtatasot, joille saakka kestoisuuden kasvattaminen on
kustannusmielessä mielekästä. Kestoisuuksien valinnassa on ennakoitava tuleva oikosulkuvirtojen kasvu.
7.3.1. Verkon komponenttien ja rakenteen valinta
Oikosulkuvirtaa pienentää muuntajien ja generaattoreiden suhteellisen oikosulkuimpedanssin kasvattaminen ja nimellistehon pienentäminen sekä rinnakkaisten syöttöjen
välttäminen ja jännitetason nostaminen. Kun nimellistehoja pienennetään jakaantuu
verkko yleensä pienempiin osiin, jolloin komponenttikustannukset ja usein myös häviöt
kasvavat. Jännitetason noston etuna on komponenttien määrän pysyminen samana ja
verkon jäykkyydestä saatavan hyödyn säilyminen. Häviöt usein jopa pienenevät.
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
10
Luku 7: Oikosulkusuojaus
7.3.2. Sulake
Pienillä nimellisvirroilla sulakkeilla on erittäin hyvä oikosulkuvirran rajoituskyky. Niiden
käyttö rajoittuu kuitenkin yleensä pienjännitteelle. Keskijännitteellä sulakkeita voidaan
käyttää jakelumuuntajien ja moottoreiden suojaamiseen.
7.3.3. Kuristin
Sarjakuristimella verkon oikosulkuimpedanssia kasvatettaessa tarvittava reaktanssi lasketaan yhtälöstä 32.
X ℵ=U
jossa
2
n
(
1
S k2
Un
Sn
S k1
S k2
=
=
=
=
−
1
S k1
) ,
(32)
on verkon nimellisjännite,
kuristimen nimellisteho,
oikosulkuteho ennen kuristinta ja
oikosulkuteho kuristimen jälkeen.
Kuristin on erittäin yksinkertainen ja luotettava komponentti. Se aiheuttaa kuitenkin lisähäviöitä. Sen kyky rajoittaa oikosulkuvirtaa on rajallinen.
a
b
c
d
KUVA 7.3a. Tyypillisiä kuristimen käyttötapoja.
Käyttötavalla a kuristimen läpi siirrettävä virta, häviöt ja jännitteenalenemat voidaan pitää
pieninä. Käyttötavalla b suojataan alakojeistoa, jolla on pääkojeistoa alhaisempi kestoisuus. Käyttötavalla c kompensoidaan syöttävän verkon kasvanutta oikosulkutehoa. Kuristin voi olla myös muuntajan yläjännitepuolella. Vaihtoehto d on harvinainen.
7.3.4. Is-rajoitin
I s -rajoitin ( I s -limiter, I s - begränzer) muodostuu päävirtatiehen, jonka kautta kuormitusvirta kulkee, sijoitetuista räjähdyspanoksella toimivista erittäin nopeista kytkimistä, ja
niiden rinnalla olevista sulakkeista. Virran nousunopeuden d i / d t ollessa suuri, päävirtatie
avataan noin 0,1 ms:ssa. Avausväliin syntyvän valokaaren takia virta kommutoituu sulakkeelle ja valokaari sammuu. Sulake palaa virtaa voimakkaasti rajoittaen.
I s -rajoitinta voitaisiin periaatteessa käyttää samoissa kohdissa verkkoa kuin kuristinta,
mutta tyypillisin paikka sille on olla jakamassa verkkoa osiin. Tällöin sen läpi kulkevaa
oikosulkuvirtaa ei tarvitse ottaa huomioon oikosulkuvirtaa kasvattavana. Relesuojaus toimii laukaisun jälkeen itsenäisesti.
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
11
Luku 7: Oikosulkusuojaus
x
KUVA 7.3b. I s - rajoitin jakamassa verkkoa osiin.
I s - rajoitin ei aiheuta häviöitä eikä jännitteen alenemaa ja verkon jäykkyydestä saadaan
täysi hyöty. I s - rajoitin muodostaa epäselektiivisyyskohdan oikosulkusuojauksessa.
7.3.5. Esimerkki
Tutkitaan vaihtoehtoja, jossa 110 kV yhdistyy keskijänniteverkkoon yhdellä tai kahdella
päämuuntajalla. Pääkojeistojen oikosulkuvirta lasketaan Theveninin menetelmällä ja ominaisoikosulkutehoilla. Alakojeiston pienen kestoisuuden vuoksi sen suojana on kuristin,
jonka reaktanssi määritetään.
Sk=4000MVA
110 kV
Sn=40MVA
Pk=170kW
uk=10%
Sn=40MVA
Pk=170kW
uk=10%
10 kV
40/100kA
10 kV
25/75kA
KUVA 7.3c. Keskijänniteverkko, johon ei liity generaattoreita tai moottoreita.
Oikosulkuvirta 10 kV:n oikosulussa
Syöttävän verkon impedanssi 10 kV:n tasolle redusoituna
Jos kojeistojen välinen yhteys on auki
Z"
Q=
"
X Q=
c U 2n Q
S"
kQ
1 =
t2
c U 2n Q
3
I"
kQ
1 =
t2
1,1 ⋅ (110 kV) 2
4000 MVA
1
= 0,0275 Ω
110 kV 2
(
)
10 kV
Muuntajan impedanssi
ZT =
(10kV)2
ukr U 2rT
= 10
= 0,25 Ω
100 % 40MVA
100 % SrT
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
12
Luku 7: Oikosulkusuojaus
R T=
u R r U 2r T
100 % S
P k rT
=
3 I 2r T
rT
=
P k r T⋅U 2
rT
S 2r T
=
170 kW ⋅ ( 10 kV ) 2
= 0,0106 Ω
(40 MVA) 2
X T = ZT2 - RT2 = 0,25Ω2 - 0,0106Ω2 = 0,2498 Ω
Zk = ZQ + ZT = X Q + RT + X T = j0,0275Ω + 0,0106Ω + j0,2498Ω = (0,0106 + j0,2773)
c Un
I 'k' =
3
R 2k + X
1,1⋅10kV
=
2
k
3 0,0106 2 + 0,2773 2
Ω
= 22,9 kA
Dynaaminen oikosulkuvirta lasketaan R / X =0,0106 / 0,2273 = 0,038
i
p
= κ 2 I "k = 1,9 ⋅ 2 ⋅ 22,9 k A = 61,5 k A , jossa kerroin κ saatu kuvasta 7.2d.
Terminen oikosulkuvirta I t h .
I t h= I "k m + n = 22,9 0,095 + 1 = 23,9 k A ,
jossa m ja n saadaan käyrästöistä 7.2e ja 7.2f.
Kojeiston rasitukset ovat siten dynaaminen 61,5 kA ja terminen 23,9 kA. Kojeisto kestää
sen.
Jos kojeistojen välinen yhteys on kiinni
Z k = Z Q+ Z T = X Q+
c Un
I'k' =
3 R 2k + X
2
k
Z T1⋅ Z T 2
Z T 1+ Z T 2
= j0,275Ω + 0,0053Ω + j0,1245Ω = (0,0053 + j0,152) Ω
1,1⋅ 10 kV
=
3 0,0053 2+ 0,152 2
= 41,8 kA
Dynaaminen oikosulkuvirta lasketaan R / X = 0,0053 / 0,152 = 0,035
i p= 1,9
2 ⋅ 41,8 k A = 112 k A .
Terminen oikosulkuvirta
"
I t h = I k m + n = 41,8
0,095 + 1 kA = 43,7 kA , jossa m ja n saadaan käyrästöistä 7.2e
ja 7.2f.
Kojeiston rasitukset ovat siten dynaaminen 112 kA ja terminen 43,7 kA, jotka ylittävät kojeiston mitoitusarvon.
Oikosulkuvirran laskeminen ominaisoikosulkutehoilla.
''
ST1 =
Sn
zk
=
40 MVA
0,1
= 400 MVA
Jos on vain yksi muuntaja
' ' 4000 ⋅ 400
Sk =
= 363 MVA
4000 + 400
I 'k' =
1,1⋅ 363 MVA
= 23
3 ⋅ 10 kV
kA
Jos muuntajat ovat rinnakkain niin
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
13
Luku 7: Oikosulkusuojaus
''
''
''
S T 1 + T 2 = S T 1+ S T 2
''
S k=
I 'k' =
4000 ⋅ 800
= 667 MVA
4000 + 800
1,1 ⋅ 667MVA
3 ⋅ 10kV
= 42,4
kA
Koska laskenta on tehty ainoastaan reaktansseja käyttäen, ei R / X - suhdetta ole laskettu
eikä siten myöskään saada tarkkaa sysäyskertoimen arvoa. Yleisesti kuitenkin käytetään
keskijännitteellä arvoa 1,8, joka edellisen tarkan laskennan perusteella tiedetään hieman
liian pieneksi. Koska oikosulkutehoilla laskeminen on tarkoitettukin likimääräiseksi laskennaksi, tämä sallittakoon.
Muuntajien ollessa erillään
i
p
2 ⋅ I "k = 1,8 ⋅
= 1,8 ⋅
2 ⋅ 23
kA = 58 kA .
Muuntajien ollessa rinnan
i
p
2 ⋅ I "k = 1,8 ⋅ 2 ⋅ 42,4
= 1,8 ⋅
kA = 107
kA .
Oikosulkuvirran rajoittaminen pääkojeistolla
Kestoisuus täyttyy, jos muuntajat ovat erillään. Koska rinnan käyvillä muuntajilla kestoisuus ylittyy vain vähän, kestoisuus saavutettaisiin varsin pienellä nimellistehon pienentämisellä tai oikosulkujännitteen kasvattamisella. Muita mahdollisia keinoja olisi kiskojen
yhdistykselle lisättävä kuristin tai I s - rajoitin.
Alakojeistolla
Pääkojeiston tasolla oikosulkuteho on 667 MVA. Alakojeiston kestoisuus 25 kA vastaa 433 MVA. Tarvittava kuristin, jos rajoitetaan oikosulkuteho 400 MVA:iin, on
X k= U
2
n
(
1
Sk
2
1
- 1 ) = 10 2 ⋅ kV 2 (
Sk 1
400 MVA
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
-
1
) = 0,1 Ω .
800 MVA
14
Luku 7: Oikosulkusuojaus
7.4. Varokkeet
7.4.1. Sulakkeellinen suojaus
Tässä yhteydessä keskitytään vain pienjännitekahvasulakkeisiin. Kahvasulakkeita käytetään pienjänniteverkon suojaukseen niiden edullisuuden, turvallisuuden, selektiivisyyden
ja hyvän virranrajoituskyvyn vuoksi. Kahvasulakkeiden pääosat ovat runkolieriö, sulakehiekka ja toimivana osana sulakeliuska tai lanka, jonka rakenteen ja mitoituksen avulla
voidaan säädellä sulakkeen toimintaominaisuuksia. Sulakehiekan tehtävänä on sitoa valokaaressa syntyvä energia.
Kahvasulakkeiden nimellisvirrat
Taulukko 7.4a. Varokealustojen ja kahvasulakkeiden suurimmat sallitut nimellisvirrat
I E C 6 0 2 6 9 -2-1 mukaan .
gG
aM
Koko
Alusta AC 400 V ja 500 V AC 690 V AC 400 V ja 500 V AC 690 V
In/A
In/A
In/A
In/A
In/A
00
160
100/160
100
160
160
0
160
160
100
160
100
1
250
250
200
250
250
2
400
400
315
400
400
3
630
630
500
630
630
4
1000
1000
800
1000
1000
4a
1250
1250
1000
1250
1250
Kahvasulakkeiden toimintaa kuvaavien kirjaintunnusten merkitys:
Ensimmäinen kirjain ilmaisee katkaisualueen:
g
= koko alueen kattava katkaisukyky, sekä oikosulku- että ylikuormitussuojaksi
soveltuva sulake
a
= osa-alueen kattava katkaisukyky, vain oikosulkusuojaksi soveltuva sulake
Toinen kirjain ilmaisee käyttökohteen:
G
= johdon suojaukseen tarkoitettu sulake
M
= moottorin suojaukseen tarkoitettu sulake
gG =
aM =
gM =
yleiskäyttöön tarkoitettu sulake, johdon ylikuormitus- ja oikosulkusuojaukseen
moottoripiirin suojasulake, jonka katkaisukyky käsittää virran tietyn osa-alueen
moottoripiirin suojasulake, jonka katkaisukyky käsittää koko virta-alueen
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
15
Luku 7: Oikosulkusuojaus
Kahvasulakkeiden toiminta-aika ( gG )
Taulukko 7.4b. IEC 60269 -1 standardin mukaiset raja - ajat ja -virrat .
Sulake I n / A
In ≤ 4
4 < I n <16
16 ≤ I n ≤ 63
63 < I n ≤ 160
160 < I n ≤ 400
400 < I n
In
Inf
If
Inf
1,5 x I n
1,5 x I n
1,25 x I n
1,25 x I n
1,25 x I n
1,25 x I n
If
2,1 x I n
1,9 x I n
1,6 x I n
1,6 x I n
1,6 x I n
1,6 x I n
t/h
1
1
1
2
3
4
= sulakkeen nimellisvirta
= kestorajavirta;sulake ei saa toimia ajassa t
= sulamisrajavirta; sulakkeen tulee toimia ajassa t
KUVA 7.4a. OFAA - kahvasulakkeiden toiminta-ajat ( g G ) .
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
16
Luku 7: Oikosulkusuojaus
Kahvasulakkeiden toiminta-aika ( aM )
Taulukko 7.4c. IEC 60269-2 standardin mukaiset virta-aikaominaisuuksien raja .
Suurin toiminta aika t m a x
Pienin sulamisaika t m i n
4 In
-
6,3 I n
60 s
8 In
-
10 I n
-
12,5 I n
0,5 s
19 I n
0,1 s
60 s
-
0,5 s
0,2 s
-
-
KUVA 7.4b. OFAM - kahvasulakkeiden toiminta-ajat ( aM ) .
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
17
Luku 7: Oikosulkusuojaus
7.4.2. Kahvasulakkeiden virranrajoitus
Sulakkeiden virranrajoitusominaisuuksilla tarkoitetaan sulakkeiden kykyä rajoittaa oikosulkuvirran kasvua, joka esiintyy katkaisutilanteessa ennen oikosulun poistamista. Sulakkeilla oleva erinomainen virranrajoituskyky perustuu sulakkeen sisällä syntyvään valokaariresistanssin nopeaan kasvuun. Virranrajoituskäyristä voidaan lukea suurin virtahuippu,
jonka sulake päästää läpi tietyllä prospektiivisen virran arvolla.
Ip = prospektiivinen oikosulkuvirta
(r.m.s)
îs = oikosulkuvirran huippuarvo
îc = sulakkeen rajoittaman virran
huippuarvo
ts = sulakeliuskan sulamisaika
tv = valokaariaika
tt = kokonaistoiminta-aika
KUVA 7.4c. Kahvasulakkeen rakenne ja toiminta oikosulussa .
KUVA 7.4d. OFAA - kahvasulakkeiden virranrajoitus ( gG ) .
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
18
Luku 7: Oikosulkusuojaus
Esim. I p = 22 kA. Sulakkeen 315 A ( gG ) läpimenevä suurin virtahuippu on 21 kA. Ilman
sulaketta olisi i s = 45 kA. Sulakkeen ansiosta oikosulkuvoimat ovat ≈ 20 % siitä arvosta,
johon ne nousisivat ilman sulaketta.
KUVA 7.4e. OFAM - kahvasulakkeiden virranrajoitus ( aM ).
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
19
Luku 7: Oikosulkusuojaus
7.4.3. Selektiivisyys
Selektiivisyys, jolla tarkoitetaan vian rajoittamista pienelle alueelle verkossa, jolloin muu
osa verkkoa toimii normaalisti, voidaan tarkastaa I 2 t -taulukoista. Pienemmän sulakkeen
kokonais- I 2 t -arvon on oltava pienempi kuin suuremman sulakkeen sulamis- I 2 t -arvo.
Sulamisajoista, jotka ovat 0,1s lyhempiä, esitetään I 2 t –arvoja. Sulakkeiden virranrajoitusominaisuudet selventävät hyvin läpipääsevän virran huippuarvoja, kun tarkastellaan
I 2 t - arvoja saadaan käsitys sulakkeen läpipäästämästä energiasta.
KUVA 7.4f. OFAA - kahvasulakkeiden I 2 t -arvot ( gG ) ja selektiivisyys .
KUVA 7.4g. OFAM - kahvasulakkeiden I 2 t -arvot ( aM ).
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
20